Serbest Pistonlu Bir Stirling Soğutucunun Performans Analizinin

Makale
Serbest Pistonlu Bir Stirling Soğutucunun Performans Analizinin
Deneysel Olarak İncelenmesi**
Öğr. Gör. Dr. Orhan EKRENa, Doç. Dr. Serdar ÇELİKb
[email protected], [email protected]
a
Ege Üniversitesi, İzmir, Türkiye
Southern Illinois Üniversitesi, Edwardsville, USA
b
ÖZET
Bu çalışmada, serbest pistonlu bir Stirling soğutucunun güneş enerjisi ile çalıştırılması durumunda performansı
deneysel olarak incelenmiştir. Soğutucu olarak 79 lt hacimli bir mini buzdolabı kullanılmıştır. Stirling soğutucu ile
kabinin soğutlabilmesi için termosifon ısı değiştirici kullanılmıştır. Analizlerde soğutucunun kabin içi sıcaklığı
Stirling soğutucunun sıcak ve soğuk yüzey sıcaklık değişimleri, Stirling güç tüketimi incelenmiştir. Sistemde
analizlerin yapılabilmesi için sıcaklık ölçümleri yapılarak soğutma kapasitesi ve COP değerleri hesaplanmıştır.
Ayrıca bu tür bir soğutucunun güneş enerjisi yardımıyla kullanılabilirliği incelenmiştir.
Anahtar kelimeler: Stirling soğutma, güneş enerjisi, mini buzdolabı, serbest piston stirling, termisfon sistemi
1. GİRİŞ
Son yıllarda, evsel ve endüstriyel sistemlerde enerji tüketimini düşürme ve enerji tasarrufu en önemli konulardan
biri olmuştur. Tüm Dünyada yeşil enerji teknolojilerinin bu amaçla kullanılabilirliği araştırılmaktadır. Küçük
kapasiteli ev ve ofis tipi soğutma sistemlerinin güç gereksinimleri düşük olduğundan bu tür yeşil enerji
teknolojileri ile kullanıma uygundur. Diğer yandan bu tür soğutma sistemlerinin yaygın olarak kullanılıyor olması
yeşil enerji teknolojilerinin kullanımı ile enerji tüketimini azaltma açısından büyük potansiyele sahiptirler.
Dünyada birçok araştırmacı güneş enerjisi gibi yeşil teknolojilerin kullanılabilirliği ile ilgili araştırmalar
yapmaktadır; Aktacir [1] güneş enerjisi destekli çok amaçlı bir soğutucunun günlük ve sezonsal verimini deneysel
olarak incelemiştir. Ekren ve diğ.[2] 76 W kapasiteli güneş enerjisi ile çalıştırılan bir soğutucunun kararlı durumda
ve kabin sıcaklığını başlangıçtan itibaren istenen sıcaklığa düşürme açısından performansını incelemiştir. Bir
başka çalışmada, Modi ve diğ. [3] 165 lt kapasiteli evsel buzdolabının güneş enerjisi ile birlikte kullanımını
incelemiş, analizlerde en büyük COP değerini 2.1 olarak bulmuşlardır.
Ewert ve diğ.[4] yaptığı çalışmada thermoelektrik, Stirling ve buhar sıkıştırmalı soğutma sistemini
karşılaştırmışladır. Deneylerde 365 lt hacme sahip bir soğutucu kullanmışlardır. Ayrıca sistemde enerji deplama
amaçlı faz değişim malzemeleri de kullanılmıştır. Kararlı durum için yaptıkları değerlendirmede en büyük COP
değerini thermoelektrik için 0.04, Stirling için 0.14 ve klasik soğutucu (buhar sıkıştırmalı) için 1.0 olarak
bulmuşlardır.
Bu çalışmada, güneş enerjisi ile çalıştırılan bir Stirling soğutucunun performansı deneysel olarak incelenmiştir.
Soğutucu olarak 79 lt hacimli bir buzdolabı kullanılmıştır. Analizlerde soğutucu iç sıcaklığı, Stirling soğutucu sıcak
ve soğuk yüzeylerindeki sıcaklık değişimleri, Stirling soğutucu güç tüketimi gözlenmiştir. Ayrıca soğutma miktarı
ve COP hesaplamaları yapılmıştır. İdeal Stirling çevrimi ikisi sabit sıcaklıkta, ikisi sabit hacimde gerçekleşen dört
hal değişiminden oluşmaktadır. Stirling çevriminde kullanım amacına göre iki önemli büyüklük vardır; birisi
çevrimden dışarı ısı transferi gerçekleştirilen sıcak taraf sıcaklığı (Tsıc), diğeri ise çevrime ısı transferinin
gerçekleştiği soğuk taraf sıcaklığı (Tsoğ) dır. Buhar sıkıştırmalı soğutma sistemi ile benzeştirildiğinde sıcak taraf
sıcaklığı yoğuşturucu, soğuk taraf sıcaklığı ise buharlaştırıcı sıcaklığına karşılık gelmektedir.
Stirling makinaları tahrik mekanizmasına göre kinematik veya serbest pistonlu olarak ikiye ayrılır. Kinematik
tiplerde piston hareketi krank-biyel mekanizması ile sağlanırken, serbest pistonlularda ise pistonun ileri-geri
hareketine bağlı olarak ortaya çıkan gaz basıncı ile olmaktadır.
56
EKİM KASIM ARALIK 2013 YIL: 16 SAYI: 63
Makale
Bu çalışma dahilinde serbest pistonlu tip bir Stirling soğutucu kullanılmıştır. Serbest pistonlu Stirling soğutucu
içerisinde piston ve yerdeğiştirici bulunan ve içerideki helyum gazını ileri-geri sıkıştırarak çalışan sızdırmazlığı
sağlanmış basınçlı kap olarak düşünülebilir. Şekilde bir sebest pistonlu Stirling soğutucunun kesit resmi
görülmektedir.
Şekil 1. Serbest pistonlu Stirling soğutucu kesit resmi[5]
2. DENEY DÜZENEĞİ
Son yıllarda klasik soğutma sistemlerinde bulunan gazların çevreye zararı yeni soğutma yöntemleri arayışını
gündeme getirmektedir. Tahrik geriliminin kontrol edilebilmesi ve değişik soğutma kapasitelerine ulaşabilme,
içerisinde çevreye zararlı gaz bulundurmaması gibi sebepler Stirling soğutucular bu soğutucuların kulanımına
olan ilgiyi arttırmıştır. Stirling soğutucular buzdolaplarına termosifon ısı sistemi ve fan kullanılarak
uygulanabilmektedir. Bu uygulamalarda sıcak yada soğuk tarafa fan veya termosifon ısı değiştiriciden birisi
uygulanarak ısının alınması veya uzaklaştırılması sağlanmaktadır. Bu çalışmada ise Stirling soğutucu sıcak
tarafta fan kullanılarak ortam havasına ısı atılması sağlanmış, soğuk tarafta ise termosifon ısı değiştirici
kullanılmıştır. Kapalı bir çevrim ve bu çevrimde buharlaşan/yoğuşan gazdan oluşan termosifon sisteminin
buharlaşma hattı deneylerde kullanılan mini buzdolabı kabini içerisine yerleştrilmiş olup kabin içinden ısı alarak
buharlaşma dolayısıyla kabin içinde soğutma sağlanmaktadır. Termosifon sisteminin yoğuşturucusu ise Stirling
soğuk yüzeyine özel ısı değiştirici kullanılarak yerleştirilmiş ve soğuk yüzeye ısı atılarak yoğuşma sağlanmaktadır.
Şekil 2'de Stirling soğutucu, mini buzdolabı ve fotovoltaik panel gürülmektedir. Analizlerin yapılabilmesi amacıyla
termosifon sistemi ve buzdolabı kabin içinde sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Bu çalışmada serbest pistonlu Stirling
tahrik gücü ve fanları için gerekli elektriksel güç 80 W lık bir adet fotovoltaik panel ve 80 Ah lık aküden oluşan güneş
enerjisi sisteminden sağlanmıştır.
Şekil 2. Stirling soğutucu
EKİM KASIM ARALIK 2013 YIL: 16 SAYI: 63
57
Makale
Termosifon sistemi farklı çaplara sahip borulardan oluşmaktadır. Stirling soğutucunun soğuk yüzeyine temas
eden termosifon ısı değiştirici içerideki gaza ısı vererek yoğuşur ve şekilde 3'de görüldüğü üzere alt kısımdaki küçük
çaplı boruda bir sıvı kolonu oluşturur. Sıvı kolonunun oluştuğu kısım yüksek basınç ve yüksek yoğunluk, büyük
çaplı borunun bulunduğu üst kısım ise düşük basınç ve düşük yoğunluklu akışkan ile doludur.
Dolayısıyla şekilde 3'de yuvarlak içine alınan kısımda
sifon etkisi başlayarak termosifon sisteminde
yoğuşturucudan buharlaştırıcıya doğru bir akış olur,
soğutucu kabin içinde yer alan buharlaştırıcı kısımda
ise içeriden ısı alınarak buharlaşma gerçekleşir ve
yoğuşturucuya doğru bir akış başlar. Bu sayede
herhangi bir pompa ihtiyacı olmadan termosifon
sistemi içindeki akışkanın sirkülasyonu sağlanmış
olur.
Şekil 3. Termosifon sistemi
Serbest pistonlu Stirling soğutucuda çevrim sırasında yoğuşturucu kısmında çevreye atılan ısı Stirling tahrik
edilmesiyle ile gaz üzerinde yapılan iş ve soğuk yüzeyden alınan ısının toplamından hesaplanabilir;
(1)
Soğutma performans kat sayısı ise;
(2)
olarak hesaplanabilir. Burada hesaplanan COP motor elektriksel verimini ve mekanik verimi içermemektedir.
Bunların hesaba katılması COP değerini daha da düşürecektir.
(3)
Burada UA değeri soğutucu kabinin toplam ısı transfer katsayısı olup deneysel olarak 0.789 W/K olarak
hesaplanmıştır. Tçevre ve Tkabin ise sırasıyla soğutucu kabinin iç sıcaklığı ve soğutucunun bulunduğu ortam
sıcaklığıdır.
Tablo 1. Deney sistemi özellikleri
Ekipman
Mini soğutucu
Özellikler
Kapasite: 79 litre
Stirling
Serbest pistonlu tip 80 W
Sıcaklık ölçer
Güç ölçer
Data loger
Fotovoltaik
T tip ısıl çift ( -200 - 350 oC)
Hata : ±0.4 %
Hata: ± 1.5%
Agilent34970A
80 W, 12 VDC
3. DENEY SONUÇLARI
Deney düzeneği üzerinde yapılan ölçümler ve hesaplamalar Tablo 2'de verilmiştir. Deney
sonuçları Stirling soğutucunun tahrik gerilimi 5 ve 7.5 VDC olarak iki farklı durum için
karşılaştırılmıştır. Tahrik geriliminin artması Stirling soğutucunun soğutma kapasitesini
arttırmaktadır.
58
EKİM KASIM ARALIK 2013 YIL: 16 SAYI: 63
Makale
Tablo 2. Ölçüm ve hesaplama sonuçları
Ölçüm/Hesap
Birim
Tstirling soğuk
Tyoğuşturcu
Tbuharlaştırıcı
Tbuharlaştırıcı çıkış
T stirling sıcak
Tçevre
Tkabin içi
Tfan çıkış tarafı
Toplam Güç
UA
Qcooling
COP
o
C
C
C
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
W
W/K
W
o
o
StirlingTahrik Gücü 5VDC
-11.08
12.32
6.3
8.52
23.75
21.03
12.84
22.31
48.95
0.789
6.46
0.132
Stirling Tahrik
Gücü 7.5VDC
-24.65
3.98
-6.74
-3.71
25.33
21.20
3.52
22.32
85.65
0.789
13.94
0.163
Şekil 4'de görüldüğü üzere termosifon sistemi buharlaşma sıcaklığı Stirling soğutucu tahrik gerilimi arttıkça
düşmektedir.
Şekil 4. Buharlaştırıcı sıcaklığının zamanla değişimi
Bu durumda kabin içerisinde daha fazla soğutma yapılmaktadır. Şekil 5'de tahrik geriliminin artması durumuna
kabin içerisinde daha fazla soğutma yapılabildiği sonucuna ulaşılmaktadır.
Şekil 5. Kabin sıcaklığının zamanla değişimi
Stirling tahrik geriliminin artması soğutma miktarını arttırması yanında güç tüketimini de arttırmaktadır. Bu
durum Şekil 6'da görülmektedir.
Şekil 6. Güç tüketiminin zamanla değişimi
EKİM KASIM ARALIK 2013 YIL: 16 SAYI: 63
59
Makale
Stirling çevriminde iki önemli büyüklük vardır; birisi çevrimden dışarı ısı transferi gerçekleştirilen sıcak taraf
sıcaklığı (Tsıcak), diğeri ise çevrime ısı transferinin gerçekleştiği soğuk taraf sıcaklığı (Tsoğuk) dır. Şekil 7'de bu
iki sıcaklığın yapılan deneylerde zamanla değişimi görülmektedir.
Şekil 7.Stirling sıcak ve soğuk yüzey sıcaklığının zamanla değişimi
4. SONUÇLAR
Bu çalışmada, güneş enerjisi ile çalıştırılan serbest pistonlu bir Stirling soğutucunun performansı deneysel olarak
incelenmiştir. Deneylerde soğutucu olarak 79 lt hacimli bir mini buzdolabı, Stirling soğutucu ve termosifon ısı
değiştirici kullanılmıştır. Analizlerde soğutucunun kabin içi sıcaklığı Stirling soğutucunun sıcak ve soğuk yüzey
sıcaklık değişimleri, Stirling güç tüketimi incelenmiştir. Performans incelemesi Stirling tahrik geriliminin 5 ve 7.5
VDC olması durumu için yapılmıştır.
Deney sonuçlarına göre 80 W tahrik gerilimine sahip serbest pistonlu bir Stirling soğutucunun sıcak taraf
sıcaklığının en yüksek 25oC, soğuk taraf sıcaklığının ise en düşük -25oC ye ulaştığı görülmüştür. Ayrıca bu tür bir
soğutucunun güneş enerjisi yardımıyla kullanılabilirliği incelenmiştir. Stirling soğutucuda en yüksek elektriksel
tüketimin 88 W (fanlar dahil) olduğu bu değerin tahrik geriliminin 7.5 VDC olduğu durumda gerçekleştiği
gözlenmiştir. Bu durumda kabin içi sıcaklığın +3.5 oC ye, buharlaştırıcı sıcaklığının -6oC ye düştüğü gözlenmiştir. En
yüksek COP değerinin 0.162 olduğu gözlenmiş olup Stirling soğutucuların elektriksel beslemesinin güneş enerjisi
ile uygun şekilde yapılabileceği sonucuna ulaşılmıştır.
5. REFERANSLAR
[1]M.A. Aktacir M.A. "Experimental study of a multi purpose PV-refrigerator system", International Journal of
Physical Sciences, Vol. 6(4), pp. 746-757, 2011.
[2]O. Ekren, A. Yılancı, H.K. Öztürk, E. Çetin. "Exergy analysis of a photovoltaic refrigeration system", Global
Conference on Global Warming, Istanbul, Turkey, 2009.
[3]M.K. Ewert, M. Agrella, D. DeMonbrun, J. Frahm, D.J. Bergeron, D. Berchowitz, "Experimental evaluation of a solar
PV refrigerator with thermoelectric, Stirling, and vapour compression heat pumps", In: Proceedings of ASES
Solar 98 Conference, Albuquerque, USA, 1998.
[4]A. Modi, A. Chaudhuri, B. Vijay, J. Mathur, "Performance analysis of a solar photovoltaic operated domestic
refrigerator", Applied Energy Vol.86, pp. 25832591, 2009.
[5]S.Çelik, "Stirling Soğutucularının Buzdolaplarına Termosifon Isı Değiştiricileri ile Uygulanması" Yüksek Lisans
Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, 2003.
60
EKİM KASIM ARALIK 2013 YIL: 16 SAYI: 63